Studiuesit printojnë 3D prototipin e rrotës së roverit të hënës me NASA-n

Studiuesit në Laboratorin Kombëtar Oak Ridge të Departamentit të Energjisë, në bashkëpunim me NASA-n, po e çojnë prodhimin e aditivëve në kufirin përfundimtar duke printuar 3D të njëjtin lloj rrote si dizajni i përdorur nga NASA për roverin e saj robotik hënor, duke demonstruar teknologjinë për pjesë të specializuara. të nevojshme për eksplorimin e hapësirës.

Rrota e prodhuar në mënyrë shtesë u modelua në rrotat ekzistuese dhe me peshë të lehtë të Roverit Volatiles Investigating Polar Exploration, ose VIPER, një robot celular që NASA planifikon ta dërgojë në vitin 2024 për të hartuar akullin dhe burimet e tjera të mundshme në polin jugor të hënës. Misioni synon të ndihmojë në përcaktimin e origjinës dhe shpërndarjes së ujit të hënës dhe nëse mund të mblidhet mjaftueshëm nga sipërfaqja e hënës për të mbështetur njerëzit që jetojnë atje.

Ndërsa rrota prototipi e printuar në Facilitetin e Demonstrimit të Prodhimit të DOE, ose MDF, në ORNL nuk do të përdoret në të vërtetë në misionin e NASA-s në Hënë, ajo u krijua për të përmbushur të njëjtat specifikime të projektimit si rrotat e bëra për VIPER të NASA-s. Testime shtesë janë planifikuar për të vërtetuar metodën e projektimit dhe fabrikimit përpara se të përdoret kjo teknologji për roverët e ardhshëm hënor ose të Marsit ose të merret në konsideratë për aplikime të tjera hapësinore, siç janë komponentët e mëdhenj strukturorë.

Prodhimi shtesë mund të zvogëlojë përdorimin e energjisë , mbetjet materiale dhe kohën e prodhimit, duke mundësuar kompleksitetin e projektimit dhe përshtatjen e vetive të materialit. MDF është në krye të kësaj përpjekjeje, duke zhvilluar teknologjinë për më shumë se një dekadë për një gamë të gjerë aplikimesh në sektorët e energjisë së pastër, transportit dhe prodhimit. Studiuesit e MDF-së printuan prototipin e rrotës së roverit në ORNL në vjeshtën e vitit 2022. Një printer i specializuar 3D përdori dy lazer të koordinuar dhe një pllakë ndërtimi rrotulluese për të shkrirë në mënyrë selektive pluhurin metalik në formën e projektuar.

Sistemet tipike të shtratit pluhur metalik funksionojnë në hapa: Në një makinë me madhësinë e një kabineti, ato grumbullojnë një shtresë pluhuri mbi një pjatë të palëvizshme. Pastaj një lazer shkrin në mënyrë selektive një shtresë përpara se pllaka të ulet pak dhe procesi të përsëritet. Printeri i përdorur për prototipin e rrotës së roverit është mjaft i madh që një person të hyjë dhe është unik në aftësinë e tij për të printuar objekte të mëdha ndërsa hapat ndodhin njëkohësisht dhe vazhdimisht, tha Peter Wang, i cili drejton zhvillimin e MDF-së të sistemeve të reja të shkrirjes së shtratit me pluhur lazer.

“Kjo rrit në mënyrë dramatike shkallën e prodhimit me të njëjtën sasi të fuqisë lazer,” tha ai, duke shtuar se depozitimi ndodh 50% më shpejt. “Ne po gërvishtim vetëm sipërfaqen e asaj që sistemi mund të bëjë. Unë me të vërtetë mendoj se kjo do të jetë e ardhmja e printimit të shtratit me pluhur lazer, veçanërisht në shkallë të gjerë dhe në prodhim masiv.”

Wang dhe anëtarët e ekipit të projektit publikuan kohët e fundit një studim, të botuar në 3D Printing and Additive Manufacturing , duke analizuar shkallëzueshmërinë e teknologjisë për printimin e komponentëve si motorët elektrikë.

Megjithëse makina është unike, një çelës për suksesin e projektit ishte ekspertiza e studiuesve në automatizimin e procesit dhe kontrollin e makinerive. Ata përdorën softuer të zhvilluar në ORNL për të “ndarë” dizajnin e rrotave në shtresa vertikale, më pas balanconin ngarkesën e punës midis dy lazerëve për të printuar në mënyrë të barabartë, duke arritur një shkallë të lartë prodhimi, duke shfrytëzuar një teknikë llogaritëse të paraqitur së fundmi për mbrojtjen e patentave.

Rrota e prototipit, një nga pjesët e para të prodhuara nga sistemi, tregon vlerën e bashkëpunimit ndërinstitucional. “Projekti me NASA-n vërtet e çoi përpara teknologjinë,” tha Brian Gibson, studiuesi që drejtoi projektin e rrotës së roverit për ORNL, duke e quajtur atë një moment historik. “Ishte e mrekullueshme të lidhësh një aftësi me një nevojë në zhvillim, dhe ekipi ishte i emocionuar që po bënte një komponent prototip me aplikacionet e eksplorimit të hapësirës.”

E bërë nga një aliazh me bazë nikeli, rrota e prototipit është rreth 8 inç e gjerë dhe 20 inç në diametër – shumë më e madhe se pjesët tipike të printuara me sisteme shtrati pluhuri metalik . Krijimi i tij kërkonte aftësinë për të printuar tipare të vogla gjeometrike të përhapura në një zonë të madhe pune. Prodhimi shtesë mundësoi kompleksitet më të madh në dizajnin e buzës pa kosto të shtuar ose vështirësi në prodhim, tha Gibson.

Në krahasim, katër rrotat VIPER që do të shpërthejnë përmes pluhurit të hënës vitin e ardhshëm kërkonin procese të shumta prodhimi dhe hapa montimi. Buza e rrotave prej 50 pjesësh të VIPER mbahet së bashku me 360 ​​fuga me thumba. Procesi i prodhimit kërkonte përpunim të ndërlikuar dhe intensiv në kohë në mënyrë që të përmbusheshin kërkesat rigoroze të misionit.

Nëse testimi i NASA-s provon se prototipi i printuar në 3D është po aq i fortë sa rrotat e ndërtuara në mënyrë konvencionale, roverët e ardhshëm mund të përdorin në vend të kësaj një buzë të vetme të printuar të rrotave, të cilës ORNL-së iu deshën 40 orë për t’u prodhuar. Nëpërmjet projektit, inxhinierët e ORNL dhe NASA eksploruan gjithashtu tipare të sakta të dizajnit të printimit, të tilla si muret anësore me kënd, një formë kube dhe shkel me onde për të rritur ngurtësinë e timonit.

Këto karakteristika janë të vështira për t’u përfshirë në modelin aktual të rrotave VIPER duke përdorur metoda tradicionale të fabrikimit. Pavarësisht se mundësoi një model më kompleks të folesë dhe veçoritë e kyçjes me fole në timon, printimi 3D thjeshtoi dhe uli koston e dizajnit të rrotave dhe e bëri montimin përfundimtar më të lehtë.

“Shumë nga këto karakteristika të rrotave u vendosën vetëm për të nënvizuar atë që mund të bëni me prodhimin e aditivëve ,” tha Richard Hagen, një inxhinier i projektimit mekanik për NASA-n dhe menaxher i laboratorit të prodhimit të aditivëve në Qendrën Hapësinore Johnson të NASA-s në Hjuston. “Kjo ju lejon të zbatoni lehtësisht veçoritë e dizajnit që janë të vështira për t’u zbatuar me veglat tradicionale apo edhe një pjesë të përpunuar tradicionalisht.” Aftësia e ORNL për të printuar objekte të mëdha demonstron potencialin e teknologjisë së prodhimit të aditivëve për prodhimin e rrotave shumë më të mëdha rover për misionet hënore dhe marsiane, tha Hagen.

Një sfidë është që printeri i specializuar ndërtohet vetëm me materiale të caktuara—në këtë rast, një aliazh me bazë nikeli—kështu që rrota e printuar me 3D është 50% më e rëndë se rrota e aluminit VIPER, ndërsa printohet me një trashësi të ngjashme.

NASA planifikon të testojë performancën e rrotës së printuar në 3D në një rover ose në oborrin e shkëmbinjve në Qendrën Hapësinore Johnson të NASA-s ose në një “kuti rëre” gjigante shkëmbinjsh dhe dheu të simuluar hënor në një strukturë testimi të kontraktuar. Vlerësuesit do të vlerësojnë manovrueshmërinë e rrotës , rezistencën e rrotullimit, rrëshqitjen anash, ngjitjen në pjerrësi dhe metrika të tjera të performancës.

Hagen tha se prodhimi i aditivëve ofron avantazhin e përditësimeve të shpejta të dizajnit në përgjigje të testimit. Mund të përfshijë gjithashtu më shumë kompleksitet, si p.sh. një sistem pezullimi, pa shtuar pika të dobëta.

Hagen tha se stacionet kërkimore me ekuipazh të vendosura në Hënë si pjesë e Programit Artemis të agjencisë do të kenë nevojë për aftësinë e prodhimit jashtë planetit. “Të jesh në gjendje të ndërtosh pjesë në hapësirë ​​për riparime do të jetë e rëndësishme, sepse thjesht nuk mund të marrësh rezerva të mjaftueshme,” tha ai. “Pluhuri, peletat ose filamenti për printim janë shumë më të lehta për t’u paketuar dhe do të lejonin më shumë fleksibilitet.”

“Prodhimi i shtesave ofron fleksibilitetin që nëse keni lëndën e parë, mund të bëni çdo pjesë zëvendësuese që ju nevojitet, qoftë në hapësirë ​​apo në Tokë,” tha Gibson. Kjo është një arsye pse prodhimi i aditivëve ka gjeneruar interes të konsiderueshëm për një sërë nevojash zëvendësimi, nga veglat e prodhuara me shpejtësi deri te derdhjet dhe farkëtimet e vështira për t’u përdorur. Për eksplorimin dhe banimin e hapësirës, ​​printerët 3D mund të përdorin përfundimisht material lokal nga Hëna ose Marsi si lëndë ushqyese.